دار كثير من الجدل والنقاش في أواخر القرن التاسع عشر بشأن طبيعة الإشعاع الناتج من سلك ُ يمر به تيار كهربي في أنبوب مفرغ من الهواء. قد تكون أشعةُ الكاثود تلك — كما كانت تُسمى — صورةً من الإشعاع، ناتجةً من ذبذبات الأثير لكنها مختلفة َ في خواصها عن الضوء وعن موجات الراديو المكتشفة حديثًا، أو قد تكون تدفقات من ٍ جسيمات دقيقة. أيَّد معظم العلماء الألمان فكرةَ موجات الأثير، بينما رأى معظم العلماء ُ البريطانيين والفرنسيين أن أشعة الكاثود لا بد أن تكون جسيمات. وازداد الوضع تعقيدا مع الاكتشاف العرضي للأشعة السينية (أشعة إكس) على يد فيلهلم رونتجن سنة ١٨٩٥ (حصل رونتجن سنة ١٩٠١ على أول جائزة نوبل في الفيزياء على هذا الاكتشاف)، ولكن تبين أن ذلك لم يكن سوى مسألة ٍ ثانوية زائفة يُراد بها صرف الانتباه عن المسألة الحقيقية. وعلى الرغم من أهمية هذا الاكتشاف — كما ثبت سريعا بعد ذلك — فإنه كان ُ يوجد من قبل ٌ إطار نظري للفيزياء الذرية يمكن أن تندرج تحته أشعة إكس. عمل طومسون في مختبر كافنديش، وهو مركز أبحاث في كامبريدج أسسه ماكسويل حني كان أول أستاذ في قسم الفيزياء بالجامعة في سبعينيات القرن التاسع عشر. وقد صمم طومسون تجربةً تعتمد على الموازنة بين الخواص الكهربية والمغناطيسية لجسيم مشحون متحرك (4) ومن الممكن تغيير مسار هذا الجسيم باستخدام المجال المغناطيسي أو المجال الكهربي، وقد صمم جهاز طومسون بحيث يلغي أحد هذين المجالين تأثير الآخر ليمر شعاع من أشعة الكاثود في خط ِ مستقيم من لوح فلز ِ سالب الشحنة (أو كاثود) إلى شاشة جهاز كاشف. ولا تصلح هذه الطريقة إلا مع الجسيمات المشحونة كهربيا؛ ومن ثَم أثبت طومسون أن أشعة الكاثود هي في الحقيقة جسيمات سالبة الشحنة (تسمى الآن إلكترونات)، وقد تمكن طومسون من استخدام الاتزان بين القوى الكهربية والقوى المغناطيسية لحساب نسبة شحنة الإلكترون الكهربية إلى كتلته (e/m) وقد حصل دائما ِ على النتيجة ِ نفسها أيٍّا كان الفلز المصنوع منه الكاثود، ومن ثَم استنتج أن الإلكترونات ِ أجزاءٌ من الذرات، وعلى الرغم من أن العناصر المختلفة تتكون من ذرات مختلفة، فإن كل ٍ الذرات تحتوي على إلكترونات متطابقة.

لم يكن هذا الاكتشاف بمحض المصادفة مثلما حدث في اكتشاف أشعة إكس، لكنه كان نتاج التخطيط الجيد والتجارب المصممة بمهارة. أنشأ ماكسويل مختبرَ كافنديش، ً لكنه لم يصبح مركزا رائدا في مجال التجريبية — وربما المعمل الرائد عالميا في الفيزياء ِّ — إلا في عهد طومسون وتحت قيادته؛ حيث كان يشكل جوهر الاكتشافات التي أدت إلى ْ الفهم الحديث للفيزياء في القرن العشرين. وكما حصل طومسون نفسه على جائزة نوبل، حصل أيضا سبعة ممن عملوا تحت قيادته في مختبر كافنديش على الجائزة ِ نفسها في الفترة ما قبل سنة ١٩١٤. ولا يزال هذا المختبر مركزا عالميا للفيزياء حتى يومنا هذا.

هوامش

(4) “Devised” is exactly the right word here. J. J. Thomson was notoriously clumsy and planned brilliant experiments that other people carried out; his son George is reported as saying that although J. J. (as he was always known) “could diagnose the faults of an apparatus with uncanny accuracy it was just as well not to let him handle it.” (See The Questioners, Barbara Lovett Cline, page 13.)